Меню

Методы автоматизированного проектирования систем трубопроводного транспорта



Интеллектуальная система проектирования автоматизированных систем управления трубопроводным транспортом Текст научной статьи по специальности « Компьютерные и информационные науки»

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ершов А.А.

В качестве средства повышения эффективности проектирования автоматизированных систем управления трубопроводного транспорта рассматривается создание интеллектуальной системы проектирования, функционирующей на основе базы знаний . Описаны актуальность разработки, структура и принципы работы системы

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Ершов А.А.

Intellectual system for designing automated control systems in pipeline industry

Creation of an intellectual design system, functioning on the basis of intelligent database , is considered as a means for improving efficiency of designing automated control systems in pipeline industry . The article describes timeliness of the design, structure and operating principles of the system.

Текст научной работы на тему «Интеллектуальная система проектирования автоматизированных систем управления трубопроводным транспортом»

Интеллектуальная система проектирования автоматизированных систем управления трубопроводным

А. А. ЕРШОВ, младший научный сотрудник лаборатории проблем безопасности транспортных систем, Институт проблем транспорта им. Н. С. Соломенко РАН

Интеллектуальная система проектирования (ИСП), функционирующая на основе базы знаний, позволит повысить эффективность проектирования автоматизированных систем управления трубопроводным транспортом, уменьшив интеллектуальные, временные и, следовательно, финансовые затраты.

Современный трубопроводный транспорт (ТТ) имеет тенденцию к постоянному развитию и усложнению технических средств. Кроме того, повсеместно повышаются требования к безопасности и эффективности технологических процессов ТТ. Соответственно, в центре внимания специалистов — повышение уровня и качества автоматизации сложных систем ТТ, таких как перекачивающие и компрессорные станции, резервуары, распределительные пункты, системы мониторинга и т. д. Постоянно растет актуальность проблемы автоматизации управления.

На разработку и внедрение автоматизированных систем управления (АСУ) затрачиваются огромные интеллектуальные и временные ресурсы. В такой ситуации назревает необходимость оптимизации существующих методов разработки АСУ, что позволило бы повысить общую эффективность работы инжиниринговых компаний и качество разрабатываемых АСУ ТТ (путем уменьшения вероятности ошибок и неточностей в документации), снизить интеллектуальные и временные, а следовательно, огромные финансовые затраты на разработку.

Один из путей решения проблемы эффективной организации процессов разработки АСУ ТТ — это создание интеллектуальной системы проектирования (ИСП), которая бы функционировала на основе ядра базы знаний (БЗ). Данная система должна позволить автоматически, на основе формализованного технического задания, создавать принци-

пиальные схемы к проекту АСУ ТТ. Проектировщик, использующий такую систему, сможет работать при гораздо более высоком уровне автоматизации проектирования, чем уровень современных систем автоматизированного проектирования (САПР), что повысит скорость разработки и качество выпускаемой документации, а также уменьшит общие затраты на ее создание.

Основное отличие данной системы от традиционных САПР, функционирующих на основе баз данных (БД), заключается в интеллектуализации модульного проектирования, включающего в себя, в числе прочего, возможность самообучения системы и ее работы с базой знаний на семантическом уровне. Под самообучением в данном случае понимается сохранение опыта разработки АСУ ТТ и, на основе результатов, автоматическая корректировка и дополнение данных базы знаний (БЗ). Инженер-проектировщик, использующий такую систему, сможет доверить ей проектирование той части АСУ ТТ, техническое задание которой поддается формализации. А принципы построения современных АСУ на основе программируемых логических контроллеров вполне ей поддаются [1].

Более того, техническое задание на АСУ ТТ, как правило, имеет конкретные параметры, что делает возможным разработку реальной БЗ и широкое внедрение и использование интеллектуальной системы проектирования автоматизированных систем управления трубопроводным транспортом (ИСП

АСУ ТТ). К тому же многие разработчики технических средств автоматизации (элементной базы) будут заинтересованы в регулярном обновлении БЗ для того, чтобы именно их продукт использовали инжиниринговые компании при разработке и производстве АСУ.

Существуют различные программные продукты, решающие те или иные задачи автоматизации проектирования — такие как автоматизация создания различных отчетов проектной документации, автоматизация разработки конструктивной части системы (разводка печатной платы или компоновка электрошкафа) и т.п. При этом нет такой ИСП, которая позволяла бы решить задачу интеллектуализации создания принципиальных схем АСУ (автоматической генерации схем на основе формализованного задания с учетом автоматически сохраняемого опыта предыдущей работы системы). Таким образом, разработку ИСП АСУ ТТ следует признать актуальной научной задачей. Отметим, что на сегодняшний день она является таковой и для многих производителей САПР

Структура ИСП АСУ ТТ

При создании интеллектуальной системы проектирования является целесообразным взять за базовый продукт существующую САПР, используя ее интерфейс и наработанные проектировщиками базы данных, а затем дополнить ее интеллектуальными возможностями.

Рассмотрим структуру ИСП АСУ ТТ (рис.).

ИСП АСУ ТТ состоит из двух основных частей: «решателя» и базы знаний. Отметим, что понятие «решатель» в предметной области искусственного интеллекта достаточно условно и некоторые источники (например, [2]) определяют его просто как машину вывода (в нашем слу-

Рис. Структура ИСП АСУ ТТ

чае функции машины вывода выполняет система управления ИСП) и не включают в него функции интерфейса.

«Решатель» ИСП АСУ ТТ

В представленной структуре к «решателю», кроме машины вывода, отнесены интерфейсная часть, интегрированная в ИСП АСУ ТТ система управления базовой САПР, а также функционал, реализующий взаимодействие между системой управления ИСП и системой управления базовой САПР. По сути, «решатель» здесь — это оболочка базы знаний, обеспечивающая ее эффективное использование, и выделение из него интерфейса или других составляющих как особых структурных элементов, не внесет принципиальных изменений в структуру ИСП АСУ ТТ.

Читайте также:  Трубная муфта тр 4 зэтарус

Интерфейс ИСП представляет собой интерфейс базовой САПР с интегрированным модулем формализованного технического задания на проектируемую часть АСУ ТТ. Формализованное техническое задание должно быть представлено в виде заполняемой страницы, где указываются основные параметры АСУ: количество и тип каналов контроля и управления, используемые протоколы, тип электрического питания системы, общие технические условия, предпочтения в элементной базе, ценовой категории и т.п. Кроме того, представление формализованного технического задания (описание структуры и параметров проектируемой АСУ ТТ) возможно в графическом виде — это существенно упростило бы задание параметров, в особенности если в качестве формализованного технического задания использовать уже разработанные структурные схемы и схемы автоматизации.

Структурные элементы базы знаний ИСП АСУ ТТ

Ключевым элементом любой интеллектуальной системы является база знаний [3], в которой концентрируется вся необходимая информация, поэтому эффективное применение ИСП АСУ ТТ без наличия БЗ, релевантной решаемым задачам и способствующей сохранению накопленного опыта, не представляется возможным. Кроме того, следует отметить, что способ представления знаний может сам по себе служить источником эффективности интеллектуальных систем, т. е. правильный выбор модели представления знаний для каждой конкретной предметной области позволит сократить или устранить поиск верной стратегии решения. Иначе говоря, для каждой предметной области должна быть своя эффективная модель представления знаний [4].

Рассмотрим структуру базы знаний в составе ИСП АСУ ТТ (рис.). База знаний здесь построена на основе базы данных базовой САПР и имеет четыре структурных элемента.

• Элемент «объекты в формате БД базовой САПР» содержит одну или несколько баз данных базовой САПР, использовавшейся для разработки АСУ ТТ. Если в процессе использования проектировщиками базовой САПР систематизированная база данных не была наработана, то разработчикам базы знаний необходимо будет сделать это самим. В любом случае, создание БЗ предполагает предварительную работу с БД. Элемент «объекты в формате БД базовой САПР» должен в себя включать, во-первых, описание изделий, использующихся в проектировании (однозначный идентификационный номер и название, графические данные для чертежа, данные для создания отчетов и т. д.), во-вторых, функционально-систематизированные макросы (шаблоны) окон и/или страниц прошлых проектов.

• Элемент «контекстное описание объектов БД САПР» тесно связан с предыдущим элементом и содержит так называемые контексты объектов базы данных САПР. Контекстное описание представляется в виде фреймов и содержит основные функциональные данные, определяющие выбор изделия или макроса при разработке АСУ ТТ, а также ссылку на оригинальный объект из БД САПР. Связка элементов «объекты в формате БД базовой САПР» — «контекстное описание объектов БД САПР» представляет собой реализацию метода представления знаний «интеллектуальное зеркало» [5]. Таким образом, контекстное описание должно в себя включать два вида контекстов: контекс-

Таблица 1. Фрагмент БЗ ИСП АСУ ТТ — фреймовые структуры

Фреймовая структура «автомат» Фреймовая структура «блок питания»

Имя стр01 Имя стр02

Род стр01-0 Род стр02-0

ивх. тип DC/AC: (1/2/3 x..y) ивх. x.. y

Число полисов 1/2/3/4 ивх. тип DC/AC: (1/2/3 x..y)

Источник

Методы автоматизированного проектирования систем трубопроводного транспорта

Пресс-центр СМИ о нас Пресса о нас

Обзор систем для автоматизированного проектирования трубопроводов

Конвисар Елена

В настоящем обзоре представлены пять систем автоматизированного проектирования (САПР) трубопроводных систем, по нашим оценкам, наиболее распространеных в России.

В настоящем обзоре представлены пять систем автоматизированного проектирования (САПР) трубопроводных систем, по нашим оценкам, наиболее распространеных в России (см. табл. 1). Их сравнение проводится по всем основным характеристикам, в том числе:
• область применения;
• возможность интеграции с программами других производителей;
• широта охвата типовых задач;
• соответствие требованиям российских потребителей;
• графическая платформа;
• интерфейс;
• стоимость.
В обзоре использована информация, подтвержденная компаниями, представляющими указанные продукты на рынке России и СНГ.
Системы САПР можно разделить на три группы в соответствии с уровнем их работы с данными и комплексности подхода к проектированию.
Системы нижнего уровня обеспечивают работу с графической информацией и позволяют автоматизировать только 2D-проектирование, делая акцент на автоматизации выпуска проектно-сметной документации. К таким системам можно отнести универсальные графические платформы — AutoCAD (Autodesk Inc.) и Microstation (Bentley Systems Inc.), давно применяемые в России. С их помощью происходит всего лишь замена бумажной технологии проектирования на электронный кульман.
Современные САПР все активнее обращаются к 3D-моделированию. Такие системы, основанные на универсальных графических платформах (AutoCAD или Microstation), можно объединить в группу систем среднего уровня. К ним можно отнести Bentley PLANT, CADWorx и Plant-4D. В отличии от универсальных графических платформ эти системы ориентированы на работу с базами данных, а не только с графическим представлением объектов. При этом появляется возможность оперировать параметрической 3D-моделью объекта и автоматически получать проектно-сметную документацию на основе модели.

Система Bentley Plant включает модули разработки схем, 3D-моделирования, расчеты, генерацию чертежей, спецификаций и изометрических схем. Она интегрирована с системой управления инженерным документооборотом и архивом Bentley ProjectWise. В линейке Bentley Plant представлены 2 семейства продуктов — AutoPLANT, использующее в качестве графической платформы AutoCAD, и PlantSpace на платформе MicroStation. Эти продукты являются взаимозаменяемыми. Компания взяла курс на объединение двух линеек на основе AutoPLANT. В свою очередь, в состав линейки AutoPLANT входят также решения для разнообразных расчетов: НДСТ — AutoPIPE, гидравлических расчетов — PlantFlow, расчет на прочность узлов врезки штуцеров/патрубков сосудов и аппаратов — WinNOZL, расчет пульсаций потоков в трубопроводах — PULS. Продукты AutoPIPE и AutoPLANT имеют двунаправленный интерфейс передачи данных, что ускоряет итерационный процесс «проектирование-расчет».
Помимо линейки Bentley Plant Bentley Systems Inc. предлагает решения для всех задач проектирования в промышленном и гражданском строительстве — архитектурных, задач изысканий и генплана, проектирования инженерных сетей и т. д., а также задач проектного документооборота — с помощью системы управления проектными данными и инженерным документооборотом ProjectWise. Модуль Bentley ProjectWise обеспечивает возможность распределять проекты и выполнять их администрирование.

Читайте также:  Хомут для труб канализации 110 мм

В программном комплексе CADWorx Plant реализованы инструменты для проектирования трубопроводов, оборудования, металлоконструкций, систем отопления и вентиляции, кабельных трасс, а также динамические связи с базой данных.
Исторически CADWorx развивался как графический интерфейс к известному программному продукту для расчета напряженно-деформированного состояния CAESAR II (также COADE), со временем обретя самостоятельное значение. Этим объясняется отлаженная двусторонняя связь между CADWorx и Caesar II, что позволяет в значительной мере упростить процесс создания проекта.
CADWorx не имеет аналогов по легкости пополнения библиотек элементов — работа ведется на уровне редактирования текстового файла, т.е. администрирование работы над проектом сводится к минимуму и может осуществляться любым опытным пользователем. В программе реализована возможность совместной работы различных организаций над одним проектом в сети Internet.
В нефтегазовой отрасли также применяется еще один продукт компании COADE — PVElite для расчета оборудования.

Система PLANT-4D работает на основе объектно-ориентированного параметрического ядра, и включает систему коллективной работы над проектом.
PLANT-4D позволяет работать с трехмерными твердотельными моделями проектируемых систем, автоматизирует разработку технологических схем, моделей трубопроводов, нестандартного оборудования, металлоконструкций.
Полностью автоматически или в интерактивном режиме PLANT-4D позволяет выпускать различные технологические схемы, рабочие чертежи (планы, разрезы, узлы, монтажные изометрические чертежи с размерами и спецификациями, различные ведомости, отчеты, спецификации и многое другое).
Система PLANT-4D имеет сертификат соответствия № РОСС RU.СП11.Н00144 ГОССТРОЯ России № 0312928.

Когда приходится решать классы задач, включающих поддержку всего цикла от строительства через эксплуатацию до реконструкции проектируемого объекта, нужно рассматривать системы, изначально ориентированные не только на комплексную поддержку разделов проектирования, но и на создание и использование единой модели данных всего объекта.
К таким системам на сегодняшний день можно отнести PDMS (AVEVA) и PDS (Intergraph), а также не так давно появившийся комплекс SmartPlant 3D компании Intergraph. Эти два производителя предлагают полный комплекс решений для проектирования промышленных предприятий, проектирование трубопроводных систем — лишь их часть.

Компания AVEVA является разработчиком семейства интеллектуальных систем VANTAGE, обеспечивающих работу и контроль на всех этапах жизненного цикла предприятия:
• VPE — разработка технологической части проекта, электрики, КИПиА.
• VPD (PDMS) — разработка детального проекта, выпуска проектной документации, обслуживания при эксплуатации промышленного объекта;
• VPRM — управление логистикой, контроль закупок, поставок и складирования, контроль за монтажными и пуско-наладочными работами;
• VNET — интеграция и управление всеми проектными данными, на основе современной Web-портальной технологии.
Все системы семейства VANTAGE полностью интегрированы между собой и имеют интерфейсы с ведущими системами 2-х и 3-х мерного проектирования, расчетными системами, системами документооборота, управления проектами, системами ERP. Так же системы семейства VANTAGE позволяют обмениваться информацией с любыми внешними базами данных.
VPD (PDMS) — многопользовательская среда для проектирования с централизованным хранением данных на основе собственной объектно-ориентированной базы — DABACON. PDMS позволяет осуществлять совместную работу проектного коллектива в режиме реального времени с проверкой на коллизии, что исключает любые неувязки в проекте. Необходимо заметить, что система не имеет ограничений на размер и детальность проработки проекта. VPD (PDMS) содержит следующий набор интегрированных инженерных приложений:
• проектирование оборудования, в том числе нестандартного;
• проектирование трубопроводов;
• проектирование металлоконструкций, узлов металлоконструкций;
• проектирование лестниц, стремянок, площадок обслуживания оборудования;
• проектирование архитектурной части: панелей и плит, стен и полов, окон, дверей, узлов;
• проектирование опор и подвесок;
• проектирования систем вентиляции и кондиционирования;
• проектирование кабельных конструкций.
Проектная документация выдается автоматически непосредственно по данным 3D модели в соответствии с российскими нормами оформления. Встроенная функция контроля ревизий позволяет отслеживать все изменения между выпусками чертежей.
Система поставляется c базами данных по деталям трубопроводов, металлоконструкциям, элементам зданий, отопления и вентиляции, опор и подвесок, выполненных по ГОСТ, а так же по международным стандартам, что позволяет выполнять как российские, так и международные проекты. Базы данных могут создаваться и редактироваться с помощью удобного графического интерфейса, использование которого не требует навыков программирования.
Для компаний, которые отдают части проекта на субподряд или участвуют в совместных проектах, компания AVEVA разработала PDMS Global для распределенного проектирования, которое позволяет эффективно вести и контролировать проекты, выполняемые одновременно силами нескольких проектных организаций.

Компания Intergraph предлагает не только комплексную, но и полностью интегрированную технологию проектирования, управления поставками на этапе строительства и дальнейшего информационного сопровождения промышленных предприятий.
PDS — мощная система, охватывающая основные аспекты проектирования промышленных предприятий, для которой не существует пределов на объем выполняемых проектов. Она изначально была рассчитана на поддержку работы команды специалистов различного профиля над проектами крупных электростанций или заводов. На российском рынке система также показала себя с лучшей стороны, успешно пройдя этап адаптации к российским требованиям.

По мнению компании Intergraph, возможности развития САПР, появившихся на рынке в 70-е годы, на сегодняшний день в основном исчерпаны. Это связано с тем, что их архитектура не позволяет решить две основные проблемы:
1) Невозможность осуществить полноценную интеграцию компонентов системы между собой, а так же ее интеграцию с другими информационными системами предприятия (например, с ERP-системами или системами управления ремонтами);
2) Данные, накопленные в САПР, почти не используются на последующих этапах жизненного цикла объекта.
Для того, чтобы преодолеть эти ограничения и существенно снизить затраты на всех этапах жизненного цикла сооружения, в новой системе SmartPlant, разработанной компанией Intergraph, применена новая технология.
Комплексное решение SmartPlant включает в себя две основные составляющие:
1) набор специализированных средств проектирования, каждое из которых, по мнению разработчиков, входит в ряд наиболее передовых в своем классе.
• Система разработки функционально-технологических схем SmartPlant P&ID.
• Система проектирования КИПиА SmartPlant Instrumentation.
• Система проектирования электроснабжения SmartPlant Electrical.
• Система трехмерного проектирования SmartPlant 3D
• Система комплексной трехмерной визуализации SmartPlant Review.
• Система управления материально-техническим обеспечением строительства MARIAN.
• Системы от других разработчиков ПО (компании Aspentech, в частности).
2) SmartPlant Foundation — единая система управления всей технической информацией на протяжении всего жизненного цикла объекта. Эта система управляет как документами, так и технической информацией и в то же время является платформой, интегрирующей различные САПР и системы класса ERP.
SmartPlant 3D вобрала в себя наиболее интересные и перспективные наработки из системы PDS и из других систем трехмерного проектирования. Система оперирует «умными» объектами, которые зависят друг от друга и автоматически меняются при изменении других объектов. Вся выходная документация выдается в автоматическом режиме, включая не только изометрички и отчеты, но и монтажные чертежи с автоматически расставленными размерами и обозначениями.

Читайте также:  Пластиковые трубы для канализации диаметром 110

При определении границ использования той или иной САПР необходимо учитывать особенности объектов проектирования и ведения проектных работ на предприятии. Потребителями могут быть как проектные организации, так и ПКО (ПКБ) заводов. Проектные организации чаще заняты проектированием объектов «с нуля» и крупных промышленных объектов целиком, тогда как в рамках заводов ведутся, в основном, работы по реконструкции существующих систем или проектирование отдельных установок. Поэтому целевыми нишами продуктов высшего уровня PDMS, PDS и SmartPlant 3D в большей степени являются проектные институты.
Что касается выбора по техническим особенностям продуктов, удобству интерфейса, соответствию конкретным задачам предприятия и т. д., то такие вопросы решают технические специалисты организации после знакомства с работой продуктов. Предоставляемые возможности увидеть работу программ описаны в таблице 2.
Немаловажным критерием является стоимость программного продукта. Наиболее доступными являются модули семейства CADWorx, а наиболее дорогостоящими — системы компаний AVEVA и Intergraph, что компенсируется наибольшими функциональными возможностями.
Помимо стоимости самого продукта, необходимо учитывать также стоимость необходимого программного обеспечения — графической платформы, СУБД, а также затраты, входящие в стоимость владения продуктом — обучение, обновление лицензий, техническая поддержка и т.д. Если продукт не имеет собственной графической платформы и встроенной СУБД, на их приобретение потребуются дополнительные затраты.
Все системы среднего уровня — Bentley Plant, CADWorx и Plant-4D используют стандартные СУБД — Oracle, MS SQL Server, MS Access. Кроме того, в Bentley Plant может использоваться MSDE (ядро системы MS SQL Server), что не требует оплаты дополнительных лицензий для СУБД.
PDS и SmartPlant 3D используют СУБД Oracle или MS SQL Server.
А вот компания AVEVA пошла по пути разработки и использования собственной объектно-ориентированной базы данных DABACON.
Одной из важнейших характеристик программных продуктов является, также, возможность обмена данными с другими САПР.
Данные приведены в таблице 2.
Большинство представленных продуктов имеют модульную структуру, что позволяет потребителю формировать индивидуальные рабочие места под конкретные задачи. Среди задач, решаемых при проектировании трубопроводных систем, типовыми являются:
• создание технологических схем;
• расстановка оборудования;
• проектирование трубопроводов;
• создание изометрических чертежей
• проектирование в части КИПиА (в том числе проектирование кабельных лотков);
• создание металлоконструкций (лестницы, площадки, опоры, подвески, и т.д.).
Кроме того, при 3D-проектировании появляются возможности для автоматической проверки проекта на возможные пересечения и его визуализации. Поэтому в число стандартных задач включены:
• проверка проекта на коллизии;
• визуализация проекта (в том числе «облет» объекта и создание демонстрационных роликов).
Информация по модулям, решающим в рамках выбранных программных комплексах ту или иную задачу, приведена в таблице 3.
В качестве важных признаков соответствующих модулей выделены следующие моменты:
Язык интерфейса.
Так, наиболее мощные возможности по проектированию дают системы PDMS, PDS и SmartPlant 3D, но у них отсутствует русифицированный интерфейс.
Графическая платформа.
Тип платформы, на которой работают системы, определяет возможности организации единой среды проектирования и работы предприятия со смежными организациями.
Обучение и его минимальная длительность.
Для качественного внедрения САПР важны обучение и техническая поддержка. Все рассматриваемые продукты активно поддерживаются в России.
С точки зрения применимости продуктов для российских проектов выбраны: перечень выпускаемой рабочей документации, возможность ее оформления по российским нормам, и российские базы данных различных элементов проекта, которые поставляются вместе с продуктом. С этой точки зрения наиболее полезны автоматизированный выпуск ведомостей и спецификаций по российским шаблонам, а также автообразмеривание на чертежах.
Информация отражена в таблице 3.
В заключение благодарим все компании, принявшие участие в работе над обзором.

Источник